超疏水-超亲油泡沫铜的制备及油水分离研究

摘要

自然界中的水资源、油资源污染日趋严重，危害着人类健康并造成资源浪费，因此，油水分离技术具有重要的理论意义和实际价值。利用材料特殊润湿性对水和油的不同作用是实现油水分离的重要方法。论文以泡沫铜为基体，采用氧化和化学刻蚀特种加工技术制备出超疏水-超亲油表面，并基于该表面设计了两种油水分离装置，同时，对两种制备方法和两种油水分离装置进行了一系列的研究。主要的研究工作和结果如下:
　　(1)针对现有超疏水表面制备方法中存在的大量使用贵金属、强酸、强碱和含F物质等问题，提出氧化法制备超疏水-超亲油泡沫铜。研究润湿性随氧化时间的变化规律;分析超疏水-超亲油泡沫铜表面的微观结构特点、化学组分，探明其表面特殊形貌的形成原因;检测其耐腐蚀性和耐水压性。结果表明，氧化处理后泡沫铜表面显示超亲水性，低表面能处理后，转变超疏水-超亲油性，水的接触角为155±3°，具有较好的耐腐蚀性和耐水压力。
　　(2)针对现有超疏水表面制备方法中存在的效率低、价格昂贵，超疏水性易失效等问题，采用化学刻蚀法在泡沫铜上制备超疏水-超亲油表面。研究润湿性随刻蚀时间的变化规律;基于刻蚀液优先蚀除金属表面裸露的晶界、位错等晶体缺陷的理论，分析超疏水-超亲油泡沫铜表面的微观结构特点、化学组分;检测超疏水泡沫铜的耐腐蚀性和耐水压性。结果表明，经化学刻蚀后，泡沫铜表面显示超亲水性，再经低表面能物质修饰后，转变为超疏水-超亲油性并具有较好的耐腐蚀性，能承受1.2 kPa的耐静水压力。
　　(3)基于制备的超疏水-超亲油泡沫铜，设计一种针对重油-水混合物的重力驱动油水分离装置，研究该装置能成功分离重油-水混合物的条件和机理，并对该装置的分离效率和耐久性进行检测。结果证明，该装置不仅能成功分离重油-水混合物，并具有较高的分离效率和再循环利用能力，能重复使用12次。
　　(4)为克服传统油水分离法和已有基于极端润湿性材料油水分离法的缺点，在超疏水-超亲油泡沫铜的基础上，设计一种针对海上溢油的无需挤压、无需预先收集油水混合物、无二次污染，仅依靠表面张力和重力驱动实现油水自动分离的装置。分析该装置的油水分离原理;研究针对不同油液的分离能力，装置的抗风浪能力和再循环利用能力。结果发现，该装置能在仅依靠表面张力和重力的驱动下自动实现对多种油液的收集，效率超过91％，且具有较好的抗风浪能力和再循环利用能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 油水分离方法

1．2．1 传统的油水分离方法

1．2．2 基于极端润湿性材料的油水分离方法

1．2．3 存在的问题

1．3 超疏水-超亲油表面的制备

1．3．1 制备方法

1．3．2 存在的问题

1．4 本文的主要工作

2 超疏水-超亲油的相关理论

2．1 表面能和表面张力

2．2 静态接触角

2．3 接触角滞后与滚动角

2．4 相关模型

2．4．1 Young模型

2．4．2 Wenzel模型

2．4．3 Cassie-Baxter模型

2．4．4 Wenzel和Cassie共存模型

2．5 本章小结

3 氧化法制备超疏水-超亲油泡沫铜

3．1 制备与表征方法

3．1．1 试验材料与装置

3．1．2 试样的制备方法

3．1．3 试样的表征

3．2 结果与分析

3．2．1 表面润湿性

3．2．2 表面微观结构及成分

3．2．3 耐腐蚀性和耐水压性

3．3 本章小结

4 化学刻蚀法制备超疏水-超亲油泡沫铜

4．1 制备与表征方法

4．1．1 试验材料与装置

4．1．2 试样的制备方法

4．1．3 试样的表征

4．2 结果与分析

4．2．1 表面润湿性

4．2．2 表面微观结构及成分分析

4．2．3 耐腐蚀性和耐水压性

4．3 本章小结

5 超疏水-超亲油泡沫铜的油水分离应用

5．1 针对重油-水混合物的重力驱动法油水分离

5．1．1 装置及分离原理

5．1．2 分离效率与再循环利用能力

5．2 针对海上溢油的表面张力-重力双驱动法油水分离

5．2．1 装置及分离原理

5．2．2 针对不同油液的分离能力

5．2．3 分离纯度

5．2．4 抗风浪能力

5．2．5 再循环利用能力

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢